[发明专利]具有最大效率追踪及恒压输出的双向无线充电系统及控制方法

说明书

本发明提出了一种具有最大效率追踪及恒压输出的双向无线充电系统及控制方法。其中，整流电路与逆变电路均采用4个场效应管，因此该模块即可以用作整流电路也可以用作逆变电路，同时四开关管Buck‑Boost电路(FSBB电路)也为对称结构的双向电路，将这两个电路拓扑组合起来，再配合磁场耦合机构，便可组成一种双向无线电能传输系统，即该组合模块既可以作无线充电发射端，又可以作无线充电接收端。并且，该系统通过采用了原边FSBB电路与副边FSBB电路复合控制的方法，该复合控制方法保证了效率和电压两个控制回路之间能够解耦运行，使系统能够同时实现最大效率追踪及恒压输出的功能。

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种具有最大效率追踪及恒压输出的双向无线充电系统。

背景技术

随着科学技术以及经济的发展，消费电子产品进入到越来越多的家庭当中，由于无线电能传输技术摆脱了传统电能传送的电源与用电设备需要直接电气连接局限性，具有更安全适用更便携的优点，从而受到越来越多的关注。但是由于无线电能传输系统的发射端依然需要从插座取电，且输出电压容易受充电设备偏移的影响，电能传输效率低于传统有线充电形式，从而限制了无线电能传输技术的普及，目前市面上无线电能传输技术已经在不少领域有所应用。传统的有线充电方式在某些场合存在有安全隐患，例如用电设备在潮湿环境中充电以及在恶劣天气环境中充电，虽然目前的传统充电装置有一系列的防水措施，但直接的电气连接还是可能导致设备短路从而引发一系列安全事故。无线充电技术由于其不需要充电设备与电源有直接的电气连接，从而不需要充电装置中充电口的插拔，因此具有受环境影响小更适合在恶劣环境中工作的优点。因此，相较于传统的有线充电，无线电能传输的充电方式更能胜任在极端环境下的用电设备充电工作。

无线电能传输技术主要有四种形式：电磁感应式、耦合谐振式、远场辐射式、电磁波式。目前工业普遍采用电磁感应式无线电能传输技术，电磁感应式无线电能传输的原理与传统变压器类似，将其中的传统电力变压器改为无线充电线圈，即等效于松耦合变压器，在高频交流电的作用下，该松耦合变压器一次绕组产生的高频磁场与二次侧电能接收线圈耦合，实现能量传输。与普通变压器相比，电磁感应无线电能量传输中的松耦合变压器的气隙比电力变压器大得多。因此，松耦合变压器的耦合系数较低，故而与电力变压器相比，传输效率也较低。电磁感应式无线电能传输系统的效率以及无线电能传输的接收端电压与两线圈之间的偏移程度息息相关。

基于以上原因，传统无线电能传输系统难以满足对稳定的充电输出电压以及稳定较高的充电效率的要求，除了类似DD线圈等对磁耦合结构的优化外，合适的抗偏移算法对更好的实现该要求也具有极为重要的作用。

针对以上问题，本发明提出了一种新型无线电能传输系统，通过提出对传统充电装置添加额外的电路拓扑以及提出结合基于此电路拓扑的稳压算法以及最大效率追踪算法，该系统解决了电能传输过程中对稳定的充电输出电压以及稳定较高的充电效率的要求，同时该系统支持双向无线电能传输，即接收端装置的负载部分改为电源输入，接收端装置也可作为发射端装置使用，进一步增加了该无线电能传输系统的应用场景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有的无线充电最大效率追踪算法无法完成同时进行恒压控制的缺陷，提出一种新型电路拓扑以及其对应的最大效率追踪以及恒压控制的复合控制算法。本发明提到的无线电能传输系统可搭载在特殊的应用场景中，如水下无线电能传输系统等。

本发明是通过以下技术方案来解决问题的：一种具有最大效率追踪及恒压输出的双向无线充电系统，该双向系统单侧主要包括六大部分：电源输入部分、四开关管Buck-Boost电路、高频逆变/整流电路、原边控制器、副边控制器、补偿网络以及耦合线圈。FSBB电路用于改变等效交流负载或进行恒压控制输出，该系统原副边的控制处理器分别对原副边四开关管Buck-Boost电路进行控制，可以同时实现输出端电路电压稳定以及最大效率的追踪。

具体技术方案如下：

一种具有最大效率追踪及恒压输出的双向无线充电系统，其特征在于，包括